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北京石油化工学院机械工程及自动化专业综合训练指导书机电工程系二零一四年十月目录第一部分：专业综合训练的目的、要求及内容一．专业综合训练的目的二．专业综合训练的要求三．专业综合训练的步骤四．设计说明书和图纸要求第二部分：设计训练一．经济型数控铣床XY向进给伺服系统设计参数二．经济型数控铣床XY向进给伺服系统设计过程与实例第一部分专业综合训练内容及要求一、专业综合训练的目的机械工程及自动化专业综合训练的目的在于培养学生机械和自动化控制综合集成能力和工程应用能力。通过运用所学基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识进行设计，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过分析比较数控机床XY二维进给伺服平台的结构，对主要部件进行设计计算、选型和校核并编写技术文件，达到学习典型机电产品设计步骤和方法的目的。通过学习查阅有关的设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的，从而获得设计工作基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力。二、专业综合训练的要求机械工程及自动化专业综合训练的内容，要求综合运用所学的理论知识，设计经济型数控铣床的XY二维进给伺服平台。内容包括设计计算说明书、三维图、二维装配图和零件图。手工撰写和计算机整理设计计算说明书，包括数控铣床伺服传动系统原理说明、总体传动设计和各部件设计，主要部件包括滚珠丝杠、步进电机、轴承、联轴节、轴承座、导轨、底座、平台、连接件、行程开关和撞块等选型和计算等。手工绘制XY二维进给伺服平台装配图A0号坐标图纸1张，计算机绘制其3维图和二维装配图，并打印A0装配图和主要零件（包括滚珠丝杠螺母副、电机和前轴承座，底座）A4图3张，A4三维轴侧图1张。三、专业综合训练的步骤1．明确目的要求、查阅有关资料，弄清给定的条件、数据，设计的内容与要求。查阅资料时，可查阅《机械设计基础》、《机械设计手册》和《现代数控机床设计》等。2．总体方案设计3．各部件的选型与计算3.1滚珠丝杠设计计算3.2步进电机的选型计算3.3联轴节的选型3.4轴承的选型与计算3.5滚动导轨的选型3.6前后轴承支撑件、底座、工作平台的设计3.7行程开关的选型和设计四、设计说明书和图纸要求1、手写的设计说明书要设计步骤完整、清晰，计算准确，字迹清楚.在设计开始必须将自己的设计参数列出，最后结果应给出设计和选型部件的主要参数，图纸应按照这些参数值进行绘制。2、电子版计算说明书（需打印），内容充实、条理清楚，文字通顺、图表和公式清晰，装订整齐。3、无论是手工绘制还是打印图纸，都必须符合国家标准，图面清晰。装配图不是示意图，至少要有三视图（包括必要的剖视图），零件号，尺寸标注（包括总体外形尺寸、装配尺寸、配合尺寸），标题栏（包括图形比例、名称，各零件的标准、数量、材料等），技术要求等。零件图要用视图将其结构反应清楚，有完整的尺寸标注和技术要求，标题栏等。第二部分设计与训练一、经济型数控铣床XY二维进给伺服平台图2-1数控铣床示意图图2-2二维伺服平台参考实物和装配图本设计完成经济型数控铣床XY二维进给伺服平台设计，每位同学的主要初始设计参数都不相同(见表格），其他参数按给定的值或给定的范围内取值。主要技术参数的范围：定位精度±0.01-0.05mmX向进给距离（XY)500-2000mmY向进给距离500-2000mm铣床Z向（垂直于导轨）最大切削力1000-5000N铣床零件重量500-2000NX、Y向最大切削负载1000-5000N(与运动方向相反)X、Y向快速进给速度大于3000mm/min，X、Y向工进进给速度10-500mm/min导轨之间的摩擦系数μ=0.02传动效率0.9二、经济型数控机床伺服系统设计过程与实例包括总体方案设计、各部件的选型和设计，绘制伺服驱动装配图、绘制伺服驱动三维图并对典型零件进行数控仿真加工。2.1总体方案设计1．功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，普通机床的数控化改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制机床的运动，提高机床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。设计任务给出了X向走刀、Y向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸技术参数。并且，要求能进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能．缩短非生产准备时间，提高生产率。2．原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。比如，普通车床车削螺纹时为了防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，改变螺纹的螺距就需改变挂轮。数控化改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到：主轴转——转，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必须相同；切制多头螺纹时，能正确分度。有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。3．拟定总体方案功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务要求的前提下，尽可能对原普通车床作较少的改动，这样可以降低改造成本。2.关键部件设计设备机电一体化改造设计或机电一体化新产品设计都需要抓住关键部件的设计。比如，要做好普通机床的数控化改造；X向进给系统、Y向进给系统改造；主轴调速系统改造；螺纹加工改造；数控系统的选型和配置设计等。不能把某个关键部件设计简单地看做某个关键部件的结构设计。比如，纵向进给系统改造将遇到采用什么驱动装置，怎样提高传动精度和效率，原有的进给箱怎样处理，滚珠丝杠螺母副怎样支承等问题的综合性解决办法，而不是孤立地设计一对齿轮，一个丝杠副。2.1.1进给伺服系统机械部分机械结构可参考两种方案：一种是将步进电机及减速箱安装在机床中部,固定轴机床中部,这样占据丝杠空间。另一种结构是把步进电机及减速箱安装在机床尾部，并不占据丝杠空间，且这种结构是滚珠丝杠转动，丝母不动，带动丝母上的工作台移动。因为这种结构紧凑，整个结构小巧。因此，采用这种结构方案，画出的传动原理图。螺旋传动主要用来把运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。在经济型数控机床进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。滚珠丝杠具有下述特点:(1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为0.92-0.96，比常规的丝杠螺母副提高3-4倍，因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4-1/3。(2)运动灵敏，低速时无爬行。(3)轴向刚度高，反向定位精度高。(4)具有传动的可逆性。即丝杠和螺母都可以作为主动件。(5)磨损小，使用寿命长，精度保持性好。(6)工艺复杂。目前已由专门的工厂集中生产。(7)不能自锁。故常需添加制动装置。基于以上特点，滚珠丝杠机构在机床上的应用越来越广泛，特别是在数控机床、精密机床上应用更为普遍。由于本设计中该机构主要以传动运动为主，要求有较高的传动精度和传动效率，又要求结构紧凑，运动灵敏，所以选用滚珠螺旋传动机构作进给运动，以满足工作台的X、Y向移动要求。为了提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，因此在步进电机与丝杠之间需采用一级齿轮降速传动。2.1.2伺服进给系统数控机床的伺服进给系统有开环伺服系统及闭环伺服系统两大类。其中，开环伺服系统多用步进电机作为执行元件，又称为开环伺服系统；闭环伺服系统常用直流伺服电机和交流伺服电机作为执行元件。（1）闭环伺服系统闭环伺服系统主要由执行元件、测量反馈装置、比较环节、驱动线路和机床运动部件五大部分组成。下图是闭环伺服系统的工作原理图。图2－3闭环伺服系统闭环伺服系统有位置反馈系统，可以补偿机械传动装置中的各种误差、间隙和干扰的影响，因而可以达到很高的定位精度，同时还可能达到很高的速度。但是，由于很多的机械传动环节(尤其是惯量较大的工作台等)包括在闭环控制的环路内,各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性的,直接影响伺服系统的调节参数。测量装置价格较高，安装和调整都比较复杂，设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定性。因而闭环控制数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床等。(2)开环伺服系统目前，在经济型数控机床中广泛采用步进电机作为驱动执行元件的开环系统。步进电机控制的系统结构比较简单，由于不存在位置检测与反馈控制的问题，因而控制系统的实现与调试都比较容易，维修也很方便。随着计算机技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了进展.例如在驱动电路方面，采用高低压切换的双电压供电，有利于提高动态输出力矩，改善矩频和惯频特性；采用自动升降速电路，以使步进电机能跟随较高的启停或突跳频率运行，提高伺服电机工作效率；在低速运行中采用平滑或细分电路以减少低频(步进)转动对零件切削加工的精度和表面粗糙度的影响，也解决了微量进给与快速移动之间的矛盾。其它硬件电路也均可由软件实现，从而更简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。当然，开环步进伺服系统在小功率驱动时工作效率降低的矛盾还不突出，大功率驱动的步进电机空载启动频率和最高运行频率均不高，而且当负载力矩和惯量增加时，步进电机的连续运行矩频特性和启动惯频特性都存在明显增加的趋势。另外,步进电机本质上是脉冲控制，还将产生共振。以上因素使得开环步进数控系统适宜于在精度、速度要求不高的一般数控系统中应用。如经济型、中小型机床。图2－4开环伺服系统经过以上比较，决定采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台，使用滚珠丝杠将转动变为平动步进电机与滚珠丝杠之间采用挠性联轴节连接，滚珠丝杠前支撑采用一对角接触球轴承，背靠背安装，后支撑采用圆柱滚子轴承。2.2主要部件选型、设计和计算包括：滚珠丝杠螺母副的计算和选型、步进电机的计算和选型、轴承选型和计算、挠性联轴器的选型、滚动导轨的选型、非标件的设计、电器的选型等。2.2.1滚珠丝杠的设计计算（实例）-----参见《现代数控机床》相关内容要求：对两个方向的滚珠丝杠进行设计计算、选型和校核，并将滚珠丝杠图片和主要参数列出，并绘制和打印零件图。滚珠丝杠示意图工作循环机床进给部件重量mT=600N最大加工受力FＷ＝1000N快进速度|Vfast|≥=0.02m/s工进速度Vv=0.042m/s最大加速度amax=0.8m/s2工作台导轨摩擦力Fr=25N工作行程Lw=1100mm丝杠传动效率sp=0.96确定最大转速常数A=60000轴承支承方式双推——支撑电机转子惯量MJ=0.05×10-3Kg/m-3钢的密度ρ31085.7Kg/m-3根据所给的进给距离(工作行程)Lw=1100mm=1.1m,估算丝杠长度L=1250mm=1.25m，轴承间距约Lsp=1300mm=1.3m，轴承宽度约25mm,前端轴颈约长150mm，后端轴颈约50mm,总长约1300+50+150+50=1550mm左右。1.确定动载荷C’amaxavtva=0.042/0.8=0.0525svwwvLt=1.1/0.042=26.19sT=2tw+4ta=52.59sspvahvn2=60×0.042/2×5×10-3=252r/minspvwhvn=504r/min当量转速nm=Tntntaa42=(2×26.19×504+4×0.0525×252)/52.59=502r/minFm=Fr+TFtFtaa||4||2=25+(2×26.19×1000+4×0.0525×60×0.8)/52.59=1021.12N设该机床预定使用时间为10年,且为单班工作制,则该滚珠丝杠的寿命为:Lh=10×300×8=24000h查表《现代数控机床》5-14静态安全系数fw=1.1则滚珠丝杠的动